Подвижная связь в городах

В современных системах сотовой связи используются радиоволны дециметрового диапазона, которые испытывают сильные отражения от окружающих объектов и подстилающей поверхности. Это приводит к многолучевому распространению радиосигнала. Сложение в точке приема радиоволн, пришедших разными путями и имеющих соответственно разные фазы, но сравнительно одинаковые мощности, вызывает усиление результирующего сигнала до 10 дБ или, что чаще, ослабление до 30 дБ. Искажения результирующего сигнала обусловливают межсимвольную интерференцию. Колебания среднего уровня сигнала приводят к замираниям. Они бывают быстрыми и медленными. Опасность представляют первые. Для борьбы с быстрыми замираниями используют разнесенный прием и медленные скачки по частоте (slow frequency hopping).

При осуществлении подвижной связи в городах имеют место проблемы, связанные с распространением радиоволн. Проблемы возникают при связи БПС с движущимся абонентом, когда сравнительно короткие, но переменные по длине линии связи быстро превращаются из открытых трасс в закрытые. В этом случае к приемной антенне приходят несколько сигналов с разным запаздыванием по времени за счет неоднократных переотражений волн элементами зданий. При этом уровень принимаемого сигнала испытывает глубокие, до 15—40 дБ, быстрые замирания, зависящие от плотности застройки города. В результате исследований стало ясно, что для электромагнитных полей в условиях городов характерны пространственные интерференционные явления, образуемые множеством воли с различными амплитудами и фазами из-за дифракции на препятствиях и многократных отражений от них. Было установлено, что период пространственных флуктуаций (от лат. fluctuatio — колебание) сигнала по порядку значений близок к длине волны излучения. Задача о распространении сигналов в городах оказалась многопараметрической, поскольку уровни принимаемых сигналов зависели от рельефа местности, высоты антенн передатчика и приемника, плотности застройки, высоты крыш зданий, ширины и направления улиц, наличия отдельно стоящих деревьев и лесопарковых насаждений и уличного транспорта. В настоящее время установлены основные закономерности распределения электромагнитных полей в городах. При высоте приемной антенны на уровне крыш зданий напряженность поля убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. При высоте антенн в 3 м над земной поверхностью ноле убывает пропорционально 1 /R" где число т = 2,9-^3 для крупного города и т = 2,7-^2,8 для небольших городов. Ослабление поля в тени зданий составляет в 50% случаев 18—20 дБ в диапазоне частот 470—670 МГц.

Моделирование местности и зданий города позволяет определять лишь средние значения уровней сигналов и не может служить для оценок статистики полей ЭМИ в городе. В последние годы были изучены экспериментально закономерности распространения радиоволн на коротких расстояниях по улицам городов, а также внутри помещений и зданий, что позволило создать сотовые системы с автомобилями, пешеходами и связь внутри учреждений на базе радиотелефонов.

Транкинговые системы подвижной связи. Транкинговые, или профессиональные (предназначены для корпоративных групп абонентов — бригад скорой помощи, МЧС, ФСБ, полиции и т. д.), системы подвижной связи с так называемым свободным и равным доступом мобильных станций к общему частотному диапазону позволяют абонентам работать на любом переговорном канале сети. В мировых стандартах профессиональных систем подвижной связи метод свободного и равного доступа мобильных абонентов ко всем каналам сети связи называют транкингом (от англ, tmnk — ствол).

При этом любой свободный переговорный канал может быть временно закреплен за мобильным абонентом для конкретного сеанса связи в зависимости от трафика сети. Для этого МС встроены микропроцессоры, позволяющие им сканировать запрограммированные частоты сети, передавать при каждом выходе в эфир собственный код, код входа в систему и номер вызываемого абонента.

С конца 1960;х гг. началось интенсивное развитие сетей транкинговой связи — как производственных, так и систем подвижной связи общего пользования (jmblic access mobile radio — РЛМК). Абонентам этих сетей предоставляется возможность связи не только с абонентами данной сети, но и с абонентами ТСОП. Абоненты сетей должны иметь связь независимо от своего местонахождения и возможность выхода на ТСОП. Это особенно необходимо для служб безопасности. Особенности транкинговых систем: весьма незначительное время установления связи между абонентами; возможности осуществления группового вызова абонентов, установления непосредственной связи между терминалами абонентов без использования БПС сети связи и т. д.

До 1995 г. создавались аналоговые транкинговые системы, в которых передавались сигналы телефонии и применялась частотная модуляция. Ширина полосы одного канала составляла 25—30 кГц. Значительной вехой в развитии систем транкинговой связи явилась разработка спецификации МРТ-1327, которой руководствовались многие фирмы при выпуске оборудования. В последнее десятилетие XX в. в США и Европе были разработаны цифровые системы транкинговой связи: TETRA — Trans European trunked radio; IDEN — Integrated digital enhanced netwok; ED ACS — Enhanced digital access system и др.

Для стандарта TETRA выделено несколько полос частот в диапазоне ниже 1 ГГц, одна из которых (380—400 МГц) предназначена для создания сетей европейских служб безопасности. В системе абонентам предоставлена услуга роуминга. В цифровой системе транкинговой связи TETRA в каждом частотном канале шириной 25 кГц передают сигналы четырех абонентов. Таким образом, по спектральной эффективности эта система в четыре раза превосходит обычные системы с частотной модуляцией. Помимо передачи речи в цифровой форме возможна передача данных со скоростью 7,2—28 Кбит/с, допустимы несколько уровней приоритета вызовов, групповые и срочные вызовы, передача пакетных данных, возможность непосредственной связи между абонентами и т. д.

Рассмотрим упрощенные диаграммы типичного часового трафика работы пятиканальной транкинговой системы подвижной связи со средней продолжительностью одного сеанса переговоров абонентов 3—5 мин (рис. 1.31).

Темные участки на рис. 1.31 отражают ситуации, когда каналы связи заняты переговорами, а светлые — когда они свободны. Если бы абонент фиксированно закреплялся за отдельным каналом связи, то вероятность немедленного доступа составила бы менее 0,5, в то время как при транкинговом методе подключения к любому свободному каналу вероятность такого доступа резко возрастает (до 0,8—0,9).

Упрощенная структура транкинговой системы связи показана на рис. 1.32.

Рис. 1.31. Диаграммы часового трафика 5-канальной транкинговой сети связи.

Рис. 1.32. Упрощенная структура транкинговой системы подвижной связи.

В транкинговых сетях реализуются два метода выделения канала абоненту. При первом методе выделения канала абоненту поиск свободного канала и подачу сигнала вызова производит мобильная абонентская станция, которая осуществляет сканирующий последовательный автоматический поиск вызывного канала (АПВК). В этом случае перед установлением связи, когда мобильная станция ведет сканирующий поиск свободного канала с применением устройства АПВК, на каждом определенном канале производится попытка вхождения в связь с базовой станцией с установкой тактовой и циклической синхронизации. Вследствие этого длительность цикла установления канала связи возрастает па несколько порядков по сравнению с длительностью при фиксированном закреплении каналов за определенными мобильными абонентами. Поэтому использование профессиональных транкинговых систем связи с АПВК эффективно при работе с 10—15 частотными каналами. При втором методе построения транкинговой связи поиск свободного канала возлагается на подсистему управления БС. В этом случае для поиска свободного канала используется специальный канал управления БС, через который обеспечивается контроль работы всей сети, включая процедуры установления, обеспечения и прекращения связи.

Системы персонального радиовызова (СПРВ). По принципу действия СПРВ — однонаправленная (симплексная) система связи, предназначенная для вызова подвижного абонента на двустороннюю (отложенную на некоторое время) связь по принципу «в любое время, в любое место зон обслуживания, любому человеку».

Важной вехой в развитии пейджинговой связи явилась разработка в 1976 г. протокола POCSAG, принятого в качестве международного. В СПРВ, использующих этот код, информацию можно передавать со скоростью 512, 1200 и 2400 бит/с. В упрощенном виде основные технические средства СПРВ можно представить в виде следующих крупных элементов (рис. 1.33):

• • средства сбора сообщений от отправителей в пейджинг-центре;
• • средства пейджинг-центра, включая автоматизированные рабочие места операторов и пейджинг-терминал;
• • средства передачи сообщений на пейджеры, включая различные линии связи, передающие устройства и ретрансляторы;

Рис. 133. Основные технические средства СПРВ

• сервисные подсистемы СПРВ, к которым можно отнести группу подсистем сервисного обслуживания абонентов, а также группу подсистем, предназначенных для внутреннего (внутрисистемного в СПРВ) применения.

Работу пейджинговой сети связи упрощенно можно описать следующим образом. Мобильные абоненты системы связи всегда имеют при себе малогабаритный приемник персонального вызова (пейджер), находящийся в режиме дежурного приема. Вся обслуживаемая территория охватывается сетью маломощных передатчиков в соответствии с известной сотовой моделью их размещения (см. рис. 1.26). Эти передатчики с помощью проводной или радиоканальной связи подключены к выходу пейджингового терминала, который, в свою очередь, связан с телефонной сетью общего пользования.

Пейджинговый терминал преобразует поступившее сообщение в цифровой формат соответствующего кода СПРВ, переводит его в буферную память компьютера и ставит в очередь к ранее поступившим сообщениям. Далее закодированное сообщение через сеть всех радиопередатчиков пейджинговой системы излучается в эфир. Включенные на прием абонентские пейджеры непрерывно анализируют адреса поступающих вызовов. При совпадении поступившего адреса с его собственным сообщение принимается, записывается в буфер памяти и высвечивается на дисплее пейджера. При этом о принятом сообщении абонент извещается звуковым и световым сигналами или вибрацией корпуса приемника.

Наряду с пейджерами используются малогабаритные двусторонние пейджеры — твейджеры, или трансиверы (приемопередатчики), передающие подтверждение приема сообщения и краткую ответную информацию на базовую станцию.

В 1992 г. была создана общеевропейская система ERMES (European radio message system), работающая в полосе частот 169,4—169,8 МГц. Эта система обеспечивает общеевропейский роуминг и высокую скорость передачи сигналов (6,25 Кбит/с). Она позволяет создавать сети очень высокой емкости для передачи разных видов сообщений, включая текстовые.

В 1993 г. для СПРВ был разработан протокол FLEX, обладающий повышенной помехоустойчивостью и имеющий набор возможных скоростей передачи сообщений (1,6; 3,2 и 6,4 Кбит/с). Основное достоинство протокола состоит в его гибкости — он обеспечивает высокую степень согласования с существующими системами СПРВ, в которых применяется протокол POCSAG. Кроме того, пейджеры FLEX за счет синхронного режима работы имеют увеличенный в 4—5 раз срок службы аккумуляторов питания по сравнению с пейджерами POCSAG. Также с системах с протоколом FLEX сейчас введены новые услуги.

Очень часто на схемах земные станции ЗСС и СУС объединяют и обозначают как СУС. Кроме того, собственно спутниковый сегмент содержит устройства, названные терминалом телеуправления спутником (ТТС), обеспечивающем эксплуатацию, телеуправление и контроль за работой систем спутника.

По типу используемых орбит различают СПСС со спутниками, расположенными на геостационарных (орбита, рассчитанная таким образом, чтобы спутник постоянно находился над одной и той же точкой земной поверхности; для этого он должен перемещаться со скоростью вращения Земли, т. е. его период обращения равен 24 ч; высота 36 000 км; рис. 1.35, а), высокоэллиптических промежуточных и низких земных орбитах (low earth orbit — LEO).

Последние называются системами связи на низкоорбитальных спутниках (высота орбит ИСЗ 200—700 км).

Рис. 1.35. Спутниковые системы связи:

а — геостационарная орбита спутника; 6 — система Inmarsat-М

Системы подвижной связи на низкоорбитальных спутниках позволяют создать на поверхности Земли плотность потока мощности электромагнитных колебаний, достаточную для работы с легкими абонентскими станциями размером с портативную телефонную трубку, и дополняют сотовые системы связи. Наиболее распространенной системой спутниковой связи является глобальная сеть связи Inmarsat-М (рис. 1.35, б), предназначенная для обслуживания подвижных абонентских станций. Сеть Inmarsat-М обеспечивает связь практически с любой точкой мира, позволяет подключить компьютерную сеть Интернет, факс и ряд других устройств передачи цифровых данных. Космический сегмент системы связи базируется на геостационарных спутниках, расположенных над Атлантическим, Тихим и Индийским океанами.

В настоящее время спутниковая связь все более переводится в плоскость персонального обслуживания подвижных абонентов. Энергетический баланс линий спутниковой связи до последнего времени не позволял уменьшить абонентскую станцию до размеров сотового телефона.

Однако применение спутников, находящихся на негеостационарных орбитах, в том числе низкоорбитальных, позволяет значительно уменьшить габаритные размеры и массу абонентского терминала. Это создает преимущества перед геостационарными и высокоорбитальными спутниками и позволяет разрабатывать СПСС с персональными радиотелефонами типа сотового, снабженными ненаправленными антеннами. При этом существенно уменьшаются затухание сигнала на трассах Земля — спутник и спутник — Земля и его запаздывание в каналах связи. Для сравнения отметим, что время задержки сигнала у геостационарных систем спутниковой связи составляет около 300 мс (э го заметно по разговорам корреспондентов на телевизионном экране, когда они ведут репортаж через спутниковую систему связи), а у низкоорбитальных — не более 200 мс. Такое уменьшение запаздывания сигналов способствует двухскачковому (двукратному) методу передачи сигналов через спутники.

СПСС с низкоорбитальными ИСЗ обеспечивают достаточно широкие функции в обслуживании абонентов: они позволяют организовать телефонную персональную связь с подвижным абонентом, находящимся вне зоны действия телефонных сетей (сотовых и пр.). Кроме того, они широко внедрены в морских службах спасения для радиоопределения местоположения объекта, электронной почты и т. д. Проект современной спутниковой системы основан на международном сотрудничестве, в котором участвуют и российские компании. В проекте орбитальной группировки спутниковой системы радиосвязи используется до 70 спутников-ретрансляторов, расположенных на 4—8 орбитах. Любой спутник группировки своими лучами формирует несколько наземных сот связи. В совокупности один ретранслятор создает на Земле подспутниковую зону диаметром примерно 4500 км. Полная орбитальная группировка формирует практически сплошную спутниковую зону связи, покрывающую всю поверхность Земли.

Из отечественных сетей космической связи наиболее перспективной является система Сигнал. Космический сегмент системы связи Сигнал включает 45—55 спутников-ретрансляторов, находящихся на орбитах высотой 700—1500 км. Спутники расположены небольшими группами (3—5 штук) в определенных плоскостях неба так, что при движении по заданным орбитам они узкими диаграммами направленности своих антенн совокупно формируют сотовую структуру заданной зоны обслуживания.

Помимо упомянутых систем в ряде стран разрабатывают другие проекты систем спутниковой подвижной связи общего пользования, а также специализированные системы спутниковой подвижной связи, предназначенные для контроля над состоянием и местоположением транспортных средств, обеспечения связи в чрезвычайных ситуациях, осуществления экологического и промышленного мониторинга и т. п. Некоторые из них уже реализованы.